水资源配置工程中多层衬砌结构形式力学性能对比分析研究

2021-06-19张庆杰

水利规划与设计 2021年6期

张庆杰

(济南市水利工程服务中心，山东济南 250099)

我国较多地区水资源分布处于不均衡状态，建设输水隧洞与输水干渠乃是一种重要解决措施，但在输水工程建设过程中其面临衬砌结构失稳等局面，因而针对性解决输水干渠等长距离输水工程中衬砌结构运营可靠性具有重要意义[1- 3]。李代茂等[4]、唐少容等[5]、何军等[6]利用衬砌结构离心试验等模型试验，开展室内荷载状态下衬砌结构荷载变化分析，为衬砌结构最佳设计提供重要参考。当然根据工程实际环境下安装相关监测设备，获得衬砌结构在工程实际运营中位移、压力等参数变化特征，一方面可及时预判衬砌结构失效，另一方面亦可为其他工程衬砌结构设计提供对比参考[7- 9]。不可忽视室内试验成本以及试验结果具有各向异性，而工程实际运营中的监测具有长期性，因而钱军刚[10]、周祁[11]、孜木耐提·尔肯利用[12]数值仿真手段建立衬砌结构有限元模型，加以不同荷载工况分析，获得不同类别的衬砌结构、不同工况、不同材料等多种耦合因素下的衬砌结构力学特征分析，为评价最优衬砌结构设计提供重要参考。本文利用有限元仿真手段分别建立双层、三层衬砌结构，并就之开展力学特征分析，为水资源配置工程中应用设计提供重要计算依据。

1 项目概况

山东半岛与鲁西北地区水资源时空分配较不均匀，为协调山东地区水资源时空分配，现从大运河至山东半岛地区建设输水管道工程，并与南水北调工程相联系，确保沿线水资源安全利用。根据初步工程踏勘调查得知，所建设输水管道全长超过115km，按照主、次干渠建设理念，其中主干渠按照一级用水标准建设，主线段全长92km，利用已有渠道铺设有格宾石笼，一方面提升灌区防渗性，另一方面确保水资源输送效率；由于沿线半岛地区覆盖第四系土层较厚，地表水系发育较丰富，因而为抑制输水过程中内外压影响下的水资源浪费现象，工程设计部门考虑采用多层衬砌结构进行防护。利用工程现有资料以及衬砌结构适用性，设计开展双层、三层衬砌结构输水形式下力学特征分析。

为确保分析计算结构可靠性，选取其中岩土层物理性质较稳定输水段开展分析，该工程段设计有圆弧式输水面，地面高程在52～108m，埋深稳定在10～44m，最上覆土层以风化砂土为主，压缩模量为5.2MPa，下卧土层另包括有坡积含砂粉质黏土，土工试验测定其渗透系数为3×10-7cm/s，测定黏结力约为15kPa，所建立的仿真模型外荷载即以上述试验资料开展计算[13- 14]。

2 双层衬砌结构形式分析

2.1 模型分析

双层衬砌结构实质上为复合型衬砌材料，衬砌管片采用螺栓固定在钢筋混凝土内衬结构上，内环直径为4800mm，混凝土为C30混凝土，管片厚度为300mm，所采用的固定螺栓破坏强度超过450MPa，该类复合衬砌结构几何形态如图1所示。以三角形单元建立起双层衬砌结构有限元模型，如图2所示，划分获得单元体总数123682个，节点数89686个[15- 16]。

图1 双层衬砌结构几何形态图

图2 双层衬砌结构有限元模型

2.2 水压特征

根据该区段内输水过程中水压变化，计算获得双层衬砌形式下各特征结构上水压分布变化，如图3所示。从图中管片与钢筋混凝土的水压变化曲线可知，在输水渠道正常运营过程中，双层衬砌结构水压历经“双层共承担-钢筋混凝土失稳破坏-内衬管片失效”3个阶段，

图3 双层衬砌结构水压变化特征

在运营期水压0～0.4MPa区间，钢筋混凝土与内衬管片互相“配合”，两个特征衬砌结构分别所承担水压约占运营期总水压50%左右，在运营期0.3MPa水压时，监测内衬管片两个特征截面上水压分别为0.16MPa和0.15MPa，而与此同时在钢筋混凝土A、B两个特征部位上水压分别为0.15MPa和0.14MPa，实质上在运营期0.1～0.4MPa其间，双层衬砌结构中钢筋混凝土、内衬管片上承担运营水压占比变化幅度不超过3%，即双层衬砌形式在该水压运营段内表现较好。当运营水压超过0.4MPa后，钢筋混凝土A、B截面上的水压值显著降低，所能承担水压荷载直至运营水压达0.7MPa才降低至稳定，仅为0.08MPa，约占总水压10%，该运营区段内钢筋混凝土上水压降低幅度超过56%；与之相对应的是内衬管片上水压升高，其所承担的水压值逐步升高，最大水压可达0.63MPa；分析认为该运营水压段内，钢筋混凝土结构受水压损伤，逐步出现裂缝，并在运营水压达到0.7MPa时发生失稳破坏，在破坏的过程中可承担的运营水压逐步降低，导致运营水压很大部分由内衬管片承担，由此导致引起第三个阶段水压变化特征。内衬管片在第三阶段由于受到过大的水压影响，其可承担的极限水压不超过总水压的80%，而在钢筋混凝土破坏后，水压在内衬管片上发生压力集中效应，导致内衬管片亦受到较大水压影响而破坏。

2.3 位移特征

图4为双层衬砌结构在运营期水压增大过程中内部裂纹发育特征。从图中可看出，在运营水压0.1MPa时，管片与钢筋混凝土截面上均未出现裂纹，当进入水压0.6MPa后，钢筋混凝土上出现较多裂纹，且最大应变可达1.83%，而在与此同时的管片上并无显著裂纹发育，管片工作正常，应变值最大仅为0.0233%；在运营水压1MPa时，不仅钢筋混凝土上发育有较多裂纹，且管片上裂纹发育亦较丰富，最大应变增长了两个两级，达4.65%。综上裂纹发育云图可知，管片裂纹发育滞后于钢筋混凝土，双层衬砌结构的失稳破坏主要由钢筋混凝土衬砌失效引起。

图4 双层衬砌结构内部裂纹发育变化特征(从左至右依次为水压0.1、0.6、1MPa)

为分析双层衬砌结构管片上位移特征，给出管片拼接处内外位移变化量(如图5所示)，从图5中可看出，在运营水压影响下，内位移变化量持续上升，最大位移可达0.24mm，平均运营水压增大0.1MPa，内位移量增大了24.6%；与内位移量增大态势不同的是，拼接处外位移变化幅度较小，从管片拼装完成至运营水压1MPa其间，外位移变化了0.015mm，表明在运营水压影响下，管片上的裂纹主要由内位移引起，且逐步扩展延伸至双层衬砌结构失稳破坏。

图5 管片拼接处内外位移变化量

3 三层衬砌结构形式分析

3.1 模型分析

三层衬砌结构形式其几何模型如图6所示。采用差缝拼接，每个管片厚度为360mm，按照1- 2- 1型安装至渠道断面，内衬钢管与管片刚性耦合连接的方式，内衬钢管直径为4800mm，设置有加劲环保护套筒与管片的粘结性，每个加劲环横向间距为400mm，栓钉间隔200mm布设，管片与内衬钢管间浇筑有C30素混凝土，两者间厚度为30mm，作为两者间的荷载传递载体，因而此三层衬砌结构形式总体可分为管片-混凝土间隔-内衬钢管结构。

图6 三层衬砌结构几何示意图

3.2 水压特征

与双层衬砌结构水压变化特征分析类似，给出三层衬砌结构水压变化曲线，如图7所示。从图中衬砌结构部位水压变化特征可知，在水压运营期内，三层衬砌结构水压呈“线弹性-微裂纹-局部失稳-整体失稳”4个阶段，在水压运营期0.2MPa内，管片、混凝土、内衬钢管均处于线弹性变形状态，且以混凝土所承担水压力最大，在水压运营0.1MPa时，混凝土结构承担了0.04MPa水压。随着运营期水压增大，混凝土结构与内衬钢管上承担的水压占比减少，而管片上水压力承担占比递增，该阶段内混凝土结构的水压占比占比由38%降低至26%，且运营水压平均每增长0.1MPa，混凝土结构与内衬钢管上水压占比分别降低3.7%、4.3%，从该阶段内水压变化可知，微裂纹在混凝土与钢管上逐步产生，而管片上所需承担的水压稳步增长。当运营水压超过0.6MPa后，混凝土结构上水压陡降，其内部裂纹快速贯通发育导致可承担水压降低，而由于混凝土结构上微裂纹的贯通，内衬钢管上微裂纹受到较大压密作用，进而承担水压增多，在运营水压0.7MPa时，其承担水压可达0.29MPa，分析认为在混凝土结构局部失稳破坏过程中，内衬钢管起着良好的水压承担补充辅助作用，此一定程度上约束了管片上较大水压的发展，运营期1MPa时管片上承担水压最大为0.5MPa。当运营水压超过0.7MPa后，由于混凝土结构已失稳破坏，三层衬砌结构实质上仅剩下管片与内衬钢管两个结构，在较大的水压影响下管片承担了接近50%的水压，且内衬钢管上水压还在持续递增发展，水压对其破坏影响在运营水压1MPa后。笔者认为，相比双层衬砌结构，三层衬砌结构在混凝土结构局部失稳破坏状态下，水压仍在良好衬砌状态下运营，其失稳破坏局面要出现在运营期1MPa区间外，因而此优点可确保灌渠长期处于较好的输水状态，衬砌效果保证了水压稳定。

图7 三层衬砌结构水压变化特征

3.3 位移特征

图8为三层衬砌结构中混凝土结构与管片在运营期水压作用下裂纹发育状态。从图中可看出，在运营期水压0.6MPa时，混凝土结构上应变值达0.55%，局部裂纹已发育较多，特别是在运营期水压1MPa时，混凝土断面顶、底部均已出现显著张拉破坏，裂纹发育较多，且张拉变形所产生的裂纹占总裂纹接近90%；相比之下，在0.6MPa运营期水压前，管片上并无显著裂纹分布，表明管片在运营期水压作用下，裂纹的发育进展较慢，管片处于较安全衬砌状态，此亦印证了前述表明三层衬砌结构的安全衬砌有效期较长的观点。

图8 三层衬砌结构内部裂纹发育变化特征(从左至右依次为水压0.1、0.6、1MPa)

根据拼接处位移量特征，获得混凝土结构内、外位移量变化曲线，如图9所示。从图中混凝土内、外位移变化可知，混凝土外位移的快速增长发生在运营期水压0.7MPa后，而内位移全过程均较稳定，仅在运营期水压1MPa后位移上升至最大，达0.08mm。分析混凝土的位移量特征可知，混凝土外位移的扩展，而导致钢管与管片上承担的水压增大，且其在运营水压1MPa下仍具有位移增长能力，表明三层衬砌结构形式中混凝土的破坏并不是一蹴而就，而是处于长期缓慢破坏的过程。从工程安全应用角度考虑，山东半岛地区输水工程衬砌结构选择三层衬砌形式更具安全使用价值。